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date de publication16.04.2017
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Thème : Energie, matière et rayonnement


Type de ressources : Ressources pour la classe de Terminale générale et technologique- Physique Chimie- Série S


Notions et contenus :

  • Utilisation du laser comme outil d’investigation dans diverses applications liées à la méthode par triangulation laser.




Compétence travaillée ou évaluée :

  • Savoir mettre en place une démarche scientifique face à une situation déclenchante.




Nature de l’activité : Démarche d’investigation


Résumé (en 5 lignes au plus) :

Nous allons comprendre dans cette démarche d’investigation comment fonctionnent certaines consoles de jeux interactifs. La lumière infrarouge est utilisée pour transmettre une information à la console.

Les récepteurs de la console analysent la distance entre l’objet qui réfléchit la lumière et son récepteur. Cette méthode de mesure de distance utilise la triangulation laser, connue dans de nombreuses applications : capteurs laser à triangulation, imagerie en 3D,…


Mots clefs : infrarouge- LASER-mesure de distance à l’aide d’un laser- Triangulation par laser- image en 3D – Jeu vidéo avec manette interactive


Académie où a été produite la ressource : Martinique


Physique- Chimie

Comprendre- Lois et Modèles

Energie, matière et rayonnement


Utilisation du LASER comme outil d’investigation 1

Cette démarche d’investigation a pour objectif de permettre à l’élève de comprendre l’utilisation du laser dans la méthode par triangulation laser et les applications dans son quotidien. 1

1.Démarche d’investigation autour de l’utilisation du laser  1

2.Prérequis 2

3.Objectifs et compétences sollicités 2

4.La situation déclenchante 2

Les applications de la méthode par triangulation laser (pour le professeur) 4

Règles de sécurité lors de l’utilisation du laser 4

Principe de fonctionnement de la triangulation laser 5

La triangulation, c'est mesurer la distance par calcul angulaire. En métrologie, un capteur projette un point laser sur un objet à mesurer. La lumière réfléchie atteint sous un angle certain un élément récepteur, en fonction de la distance. La distance par rapport à l'objet de mesure est calculée dans le capteur à partir de la position du point lumineux sur l'élément Récepteur et à partir de la distance séparant l'émetteur du récepteur. 5

(source : université Paris-Diderot) 5

http://didel.script.univ-paris-diderot.fr/claroline/backends/download.php?url=LzIwMTAtMjAxMS9UcmF2YXV4X3ByYXRpcXVlcy9wculwYXJhdGlvbl9UUC5wZGY%3D&cidReset=true&cidReq=36U4PC41 5

Le capteur à triangulation laser 5

La manette d’un jeu interactif 6

Le scanner 3D et sa réalisation 6



Le laser, un « jeu d’enfant » !

Utilisation du LASER comme outil d’investigation



Cette démarche d’investigation a pour objectif de permettre à l’élève de comprendre l’utilisation du laser dans la méthode par triangulation laser et les applications dans son quotidien.



1.Démarche d’investigation autour de l’utilisation du laser 


  Mesurer des distances à l’aide d’un laser et applications

2.Prérequis


  • Règles de sécurité lors de l’utilisation d’un Laser (Rappels obligatoires).

  • Conditions de réflexion de rayons lumineux.

  • Valeur de la vitesse de la lumière dans l’air.

  • Propriétés d’un rayon issu d’un LASER.

  • Savoir qu’une image numérique est pixélisée.


3.Objectifs et compétences sollicités




OBJECTIFS

Objectifs spécifiques

-Comprendre et mettre en œuvre la méthode par triangulation laser

-Savoir pratiquer une démarche scientifique

Objectifs transversaux

-Savoir faire preuve d’autonomie

COMPETENCES

ATTENDUES

Connaissances

Connaitre des exemples d’utilisations du laser comme outil d’investigation.

Capacités disciplinaires

--Savoir formuler des hypothèses pertinentes

- Savoir présenter la démarche suivie.

-Savoir confronter des représentations à la réalité

-Savoir évaluer l’incertitude sur une mesure.

Capacités expérimentales

-Savoir élaborer un protocole permettant de valider ou invalider une hypothèse

-Savoir mener une expérience utilisant l’outil informatique.

- Savoir tracer une courbe d’étalonnage et l’utiliser pour effectuer une mesure.

4.La situation déclenchante


On place dans la salle de TP une console de jeux interactifs, qu’ils connaissent bien dans lesquels on utilise :

  • Une manette qui permet de jouer de manière interactive à des jeux de sports par exemple et la console de jeu, sans oublier le détecteur à barre infrarouge indispensable !



On va pouvoir faire jouer un élève et passer entre sa manette et la barre infrarouge.

L’élève va alors se poser des questions scientifiques à propos de ces appareils et de leur fonctionnement.

On place aussi dans la salle une webcam reliée à un PC ou un appareil photographique numérique. On attend les questions pertinentes suivantes (liste évidemment non exhaustive) :

  • Comment l’appareil peut-il détecter le mouvement de la manette ?

  • Comment l’appareil peut-il fonctionner sur 3 dimensions ?

  • Quelle est la nature du signal envoyé par les manettes ou par l’appareil lui-même ?

  • Quels sont les dipôles émetteurs et/ou récepteurs de telle console ?

  • Comment le CD est-il lu par l’appareil ? (Cette question fera l’objet d’un autre cours, elle sera donc mise en attente !)

  • Comment fonctionne la console sans manette ? Est-ce le même principe ? (prolongement possible)

  • Comment peut-on numériser des personnages existants pour utiliser leur image dans les jeux ?



Les élèves émettront ensuite des hypothèses sur les questions posées.

Nous retiendrons dans cet exemple de démarche d’investigation les hypothèses suivantes :

  • Il y a une « caméra » qui enregistre nos mouvements et qui transmet les informations à l’appareil.

  • Il y a des capteurs sur l’appareil qui calculent notre position par rapport à eux par « renvoi » de rayons infrarouges.

  • Il faut qu’il y ait des émetteurs d’onde (avec ou sans précision du type d’onde) qui se réfléchissent sur la manette/ notre corps et des récepteurs qui reçoivent l’onde réfléchies et la transmettent à l’appareil.

  • Les émetteurs sont au niveau de l’appareil donc on doit connaître le type d’ondes émises pour connaître les récepteurs : Ce sont des ondes infrarouges/ sonores inaudibles qui sont envoyées par les émetteurs.

  • Les récepteurs sont des dipôles sensibles à la lumière des émetteurs (cette étude fera l’objet d’un autre TP).

  • On doit utiliser un laser pour qu’il balaie l’objet à numériser, on enregistre chaque point et ensuite on utilise des logiciels informatiques.



Les élèves doivent ensuite valider ou invalider les hypothèses émises par expérimentation ou par recherche documentaire (si le professeur leur en donne la possibilité ou pour certaines hypothèses seulement).

Dans le cas du protocole expérimental, ils doivent alors mettre en place celui-ci.

Exemples de protocoles expérimentaux liés aux hypothèses

  1. Types d’ondes mises en jeu

Le coup de pouce peut-être nécessaire à ce niveau car pour visualiser des ondes infra-rouges des appareils utilisés, on peut simplement utiliser un appareil numérique webcam ou appareil photo numérique. Ils connaissent souvent cette méthode pour la visualisation d’un signal de télécommande avec leur téléphone portable ayant la fonction appareil photo.

(Source : Wikipédia : détecteur barre)http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/20/nintendo_wii_sensor_bar.jpg/290px-nintendo_wii_sensor_bar.jpg

Ce sont des DEL infra rouges qui envoient le signal au récepteur (la manette, qui contient une caméra).

Les élèves peuvent tenter de capter une onde sonore à l’aide d’un micro branché à un oscilloscope, ceci invalidera leur hypothèse d’onde sonore.

  1. Comment mesurer une position entre émetteur et récepteur pour un appareil numérique ? : Mise en œuvre de la méthode par triangulation

Pour ces expériences, les rayonnements IR n’étant pas visibles, on va travailler avec des lasers dont les rayons sont visibles (laser Ne-He disponibles dans tous les laboratoires : Attention aux consignes de sécurité lors de leur utilisation !) pour illustrer et utiliser le principe de la méthode par triangulation laser.

C’est à ce niveau que le TP devient fondamental et auquel l’ensemble des élèves doivent aboutir. En effet, c’est par cette hypothèse qu’ils arrivent à la notion de mesure de distance à l’aide d’un rayon par triangulation.

Remarque : En effet, les mesures de temps au laboratoire sont trop peu précises pour utiliser la méthode par « temps de vol » (mesure de la durée entre le signal émis et le signal reçu trop faible compte tenu de la vitesse de la lumière connue par l’élève).

Il sera peut-être cependant difficile aux élèves de découvrir cette méthode d’eux même.

Coup de pouce : schéma de la triangulation à l’aide de laser visible et d’une webcam (voir documentation professeur).

Le récepteur permet de calculer la position de l’objet qui réfléchit le rayon.

Il sera demandé de tracer une courbe d’étalonnage afin de déterminer la distance quelconque d’un écran blanc (utilisé pour matérialiser l’objet) et expliquer comment cette application peut être utilisée dans le  « jeu ». On pourra demander de déterminer l’incertitude sur cette mesure pour évaluer une compétence supplémentaire.

  1. Comment peut-on numériser une image 3D utilisée ensuite dans le jeu ?

L’élève doit savoir qu’une image sur un tel jeu (informatique) est pixélisée.

Cette image en 3D se construit grâce aux mesures de distances enregistrées par un ordinateur puis on utilise effectivement des logiciels qui permettent de reconstruire l’image de l’objet en 3D.

On va proposer s’il ne trouve pas de protocole approché, de suivre celui qui permet de numériser l’image d’un objet quelconque. Il devra cependant être critique sur l’objet à numériser, connaissant la méthode par triangulation (réflexion maximale pour un objet clair, …).

Il devra avoir compris : Ce qu’est la numérisation d’un objet en 3D et à quoi elle sert.

Coup de pouce : comment réaliser un scanner 3D ? (voir fiche professeur)

Conclusion : (doit être élaborée par l’élève)

D’après les observations faites lors de nos expériences, les consoles utilisent des lumières infra-rouges pour interpréter les positions du joueur par réflexion de ces ondes sur la manette. Elles utilisent la méthode par triangulation laser pour interpréter les images reçues puis les analysent (informatiquement) pour les transférer à l’écran.



Les applications de la méthode par triangulation laser (pour le professeur)




Règles de sécurité lors de l’utilisation du laser


L’élève doit connaitre le pictogramme de sécurité d’un laser ainsi que ses règles de sécurité liées à son utilisation. Un guide de prévention des risques dus à l’utilisation du laser est disponible sur le site du CEA suivant : http://www.cea.fr/jeunes/themes/la_defense/le_laser_un_concentre_de_lumiere/indispensable_mais_attention http://www.rolleco.fr/shop/media/products/pictogramme-danger-de-rayonnement-laser-1-l.jpg

Principe de fonctionnement de la triangulation laser



La triangulation, c'est mesurer la distance par calcul angulaire. En métrologie, un capteur projette un point laser sur un objet à mesurer. La lumière réfléchie atteint sous un angle certain un élément récepteur, en fonction de la distance. La distance par rapport à l'objet de mesure est calculée dans le capteur à partir de la position du point lumineux sur l'élément Récepteur et à partir de la distance séparant l'émetteur du récepteur.


Ecran PC


x


(source : université Paris-Diderot)

http://didel.script.univ-paris-diderot.fr/claroline/backends/download.php?url=LzIwMTAtMjAxMS9UcmF2YXV4X3ByYXRpcXVlcy9wculwYXJhdGlvbl9UUC5wZGY%3D&cidReset=true&cidReq=36U4PC41


Expérimentons :

A l’aide de matériel très simple, disponible au laboratoire : un écran blanc (cible), une webcam (récepteur CCD) reliée à un PC, un banc d’optique, un laser fixe :

L’élève va tracer une courbe d’étalonnage entre la distance z et la distance x entre la bordure de l’écran du récepteur (donc du PC) qui varie en fonction de l’angle α (non mesuré dans ce cas). Cette fonction est une courbe, non proportionnelle. Cette courbe permettra cependant de mesurer une distance quelconque de la cible par lecture directe sur la courbe d’étalonnage. Il peut utiliser un tableur pour effectuer le tracé de cette courbe et la mesure de la distance inconnue.

Evaluation de l’incertitude de la mesure :

L’incertitude est due à la mesure de z et celle de x sur l’écran.

Cette incertitude peut être évaluée.

Le capteur à triangulation laser http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/24/laserprofilometer_en.svg/220px-laserprofilometer_en.svg.png


Il permet de mesurer des distances et est vendu dans le commerce.

Il utilise la méthode par triangulation précédemment expliquée.

Le principe est schématisé ci-contre avec 2 positions de l’objet.

(Source : Wikipédia)

La manette d’un jeu interactif


Pour déterminer sa position par rapport au téléviseur, la manette utilise un détecteur barre, alimenté par la console, et placé au-dessus ou en dessous du téléviseur. Cette barre comprend dix LED infrarouges, réparties par groupe de cinq de chaque côté, que la manette repère grâce à une caméra sensible à cette même longueur d'onde. Ce procédé (appelé triangulation) permet à la manette de capturer la position relative du champ de LED. La manette peut ainsi calculer précisément et rapidement sa position par rapport à la barre et pointer un point précis sur l'écran. Mais elle a besoin pour cela d'être pointée approximativement vers l'écran (de façon à avoir la barre dans son « champ de vision »).

(Source : Wikipédia)

Le scanner 3D et sa réalisation


« Un scanner tridimensionnel est un appareil qui analyse les objets ou leur environnement proche pour recueillir des informations précises sur la forme et éventuellement sur l'apparence (couleur, texture, …) de ceux-ci. Les données ainsi collectées peuvent alors être utilisées pour construire des images de synthèse en trois dimensions (objets numériques) à des fins diverses. Ces appareils sont beaucoup utilisés par les industries du divertissement pour des films ou des jeux vidéo

Le scanner laser par triangulation est un scanner actif qui utilise la lumière laser pour sonder son environnement. Il pointe sur le sujet avec un faisceau et utilise un appareil photo pour situer le point. En fonction de la distance jusqu'à une surface, le point apparait à un endroit différent dans le champ de vision de l'appareil. Cette technique est appelée triangulation parce que le point laser, l'appareil photo et l'émetteur laser forment un triangle. La longueur d'un côté du triangle, la distance entre l'appareil photo et l'émetteur laser est connue. L'angle du côté de l'émetteur laser est également connu. L'angle du côté de l'appareil photo peut-être déterminé en regardant l'emplacement du point laser dans le champ de vision de l'appareil photo. Ces trois données déterminent la forme et les dimensions du triangle et donnent la position du point laser. Dans la plupart des cas, une bande laser, plutôt qu'un point, balaie l'objet pour accélérer le processus d'acquisition »

Source : Wikipédia

On pourra utiliser certains logiciels libres de droit pour réaliser expérimentalement la numérisation d’un objet en TP en suivant un protocole précis que l’on peut facilement trouver sur Internet (exemple : David laser scan 3D).



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